Characterization of Phase Locked Loops for High Speed Serial Applications

Phase locked loops(PLLs) are used in high-speed serial interfaces in two ways. At the transmitter, the PLL is used to generate high-frequency reference clocks for the transmitter. Here, a low-frequency, high quality input reference clock is fed into the PLL, which the PLL uses to generate the required high-frequency, low-noise clock at the transmitter. At the Receiver in high-speed links, the PLL is implemented in Clock and Data Recovery Systems to recover the data and clock. One of the reasons we need a PLL at the transmitters of high-speed links is because it is practically difficult for example to get a 15GHz clock routed on a high-speed link hardware while at the same time having a low noise profile. The PLL ensures that at the boundary of the high-speed chip, the input frequency is low-frequency, low-noise and hence easily routed into the chip. Technical issues like electrostatic device (ESD) protection also limits the capability of routing a high-frequency directly into high-speed links as ESDs are associated with large capacitance which prevents a good signal-to-noise ratio. In the first part of this dissertation(Chapter 1 and 2), we give a description of high-speed links and the importance of PLLs in high-speed links. We also give a fundamental description of PLLs in order to understand their general functionality. In the second part(Chapters 3, 4 and 5), we focus on the main topic of this dissertation. The main characterization activities performed on the PLL in the high-speed link architecture of this dissertation involves a cascade of PLLs- a Common PLL(CPLL) and a Transmitter PLL(TXPLL). Each chapter in the second part begins with a description of the measurement activity (significant measurements), the measurement set-up(description of measurement instrumentation), and consequently followed by measurement results. Programming tools such as Python and Matlab were of immense use in carrying out the measurement activities. They were used in automating instruments and reusing data retrieved from instruments in an efficient and time-saving way.

CARATTERIZZAZIONE DI LOOP BLOCCATI A FASE AD ALTA FREQUENZA PER APPLICAZIONI DI COLLEGAMENTI SERIALI AD ALTA VELOCITÀ. I loop a fase bloccata (PLL) vengono utilizzati nelle interfacce seriali ad alta velocità in due modi. Sul trasmettitore, il PLL viene utilizzato per generare orologi di riferimento ad alta frequenza per il trasmettitore. Qui, un orologio di riferimento di ingresso a bassa frequenza e di alta qualità viene immesso nel PLL, che il PLL utilizza per generare l'orologio ad alta frequenza e basso rumore richiesto sul trasmettitore. Al ricevitore in collegamenti ad alta velocità, il PLL è implementato nei sistemi di recupero dati e clock per recuperare i dati e il clock. Uno dei motivi per cui abbiamo bisogno di un PLL sui trasmettitori di collegamenti ad alta velocità è perché, ad esempio, è praticamente difficile far instradare un orologio da 15 GHz su un hardware di collegamento ad alta velocità pur avendo un profilo a basso rumore. Il PLL assicura che al limite del chip ad alta velocità, la frequenza di ingresso sia a bassa frequenza, a basso rumore e quindi facilmente instradata nel chip. Problemi tecnici come la protezione dei dispositivi elettrostatici (ESD) limitano anche la capacità di instradare un'alta frequenza direttamente in collegamenti ad alta velocità poiché gli ESD sono associati a una grande capacità che impedisce un buon rapporto segnale-rumore. Nella prima parte di questa tesi (capitolo 1 e 2), forniamo una descrizione dei collegamenti ad alta velocità e l'importanza dei PLL nei collegamenti ad alta velocità. Forniamo anche una descrizione fondamentale dei PLL al fine di comprenderne la funzionalità generale. Nella seconda parte (Capitoli 3, 4 e 5), ci concentriamo sul tema principale di questa tesi. Le principali attività di caratterizzazione svolte sul PLL nell'architettura di collegamento ad alta velocità di questa tesi di laurea coinvolgono una cascata di PLL: un PLL comune (CPLL) e un PLL trasmettitore (TXPLL). Ogni capitolo della seconda parte inizia con una descrizione dell'attività di misurazione (misurazioni significative), l'impostazione della misurazione (descrizione della strumentazione di misurazione) e conseguentemente seguita dai risultati della misurazione. Strumenti di programmazione come Python e Matlab sono stati di grande utilità nello svolgimento delle attività di misurazione. Sono stati utilizzati per automatizzare gli strumenti e riutilizzare i dati recuperati dagli strumenti in modo efficiente e risparmiando tempo.